环鸣法声速仪超声波发射或接收电路设计

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随着经济的快速发展，科学技术也在不断的进步，超声波技术被广泛的运用在了海洋资源勘察工作中，并且在军事方面也进行了广泛的应用。因此，研究超声波技术至关重要，不仅有利于海洋资源的开发和利用，而且这也是国家保护领海安全的要求。在应用超声波技术时，其中最为关键的技术就是超声波发射和接收技术，直接关系到整个超声波设备的运行情况，因此，研究超声波发射和接收技术，设计出科学合理的发射和接收电路势在必行。鉴于此，本文将在探讨电路运行原理的基础上，对电路进行优化设计，希望可以提高超声波技术的水平。取得良好的超声波。

一、环鸣法声速仪超声波发射/接收电路的基本结构概况

（一）环鸣法的定义

所谓的环鸣法就是指当测量声速的精确度在已经确定的前提下，已经知道的距离越大，则对测时对精确度的要求越低，因此人们为了降低对测时对精确度的要求，往往利用测量声波在已经知道的距离内往返多次的方法，使其不断的循环下去，这种方法就是我们所说的环鸣法，也可以称为脉冲循环法。

（二）超声波发射/接收电路的基本结构概况

显而易见，超声波发射/接收电路的整个系统是由两个部分组成的，即发射电路和接收电路。发射电路主要有以下几个部分组成：场效应管驱动电路、高压直流电路、电容器放电电路、匹配网路电路以及电源电路。它运行的原理以及过程主要是CPLD产生控制信号，并在换能器的两端施加高压窄带脉冲，然后换能器经过逆电压效应可以在海水中发出超声波。而组成接收电路的主要部分包括输入保护电路/谐振电路、放大电路、检波/比较电路和电源电路。接收电路的主要功能是接收返回的微弱信号，并将其进行放大处理，然后再通过其它的电路将处理好的脉冲输送到发射电路的CPLD中，这样一来，CPLD就会产生下次信号，并且在整个过程中，接收电路还可以消除发射电路发射信号时产生的高压窄带脉冲信号。超声波发射/接收电路基本的结构以及工作的流程如图1所示。

二、超声波发射电路

（一）高压直流电路

本文的研究所采用的芯片为IMP803，输入电压是5V直流电压，5V直流电压可以产生并输出100V左右的直流高电压。在超声波发射电路采用IMP803芯片，是因为这种芯片具有很大的优越性，它产生的直流电压更加稳定、可靠，并且非常耐用。同时，IMP803芯片属于一种单电源驱动，受到的电磁干扰较小，比较容易控制。另外，利用IMP803芯片产生直流高电压电路对外围器件的要求较少，只需要一个耐压大于100V的快速恢复二极管、一个微小型电感和若干个电容和电阻，因此，整个电路的设计价格也比较低廉。

（二）控制信号与场效应管驱动

一般来说，在海水中声音传播的速度大约在1400m/s~1600m/s这个范围内，电路中换能器和反射挡板的距离是2.5cm，也就是说声波在换能器和反射挡板之间来回一次的距离为5cm，根据海水中声速频率的公式：声速频率=声速/声波来回一次的距离可以计算出声速频率在28kHz~32kHz。因此，为了实现超声波发射控制的功能，我们需要将首次触发换能器的控制信号定位27kHz，这样一来，可以使声波环鸣后的频率快速的返回到28kHz~32kHz。在这个系统当中，产生控制信号的结构是发射电路的CPLD，其产生的脉冲宽度大约为100ns。在高频工作的电路中，整个系统的性能受电子开关的电器特性的影响较大。在电路系统工作中，绝缘栅场效应管电容充电以及放电会造成大量的损耗，因此一定要选择合理的功率绝缘栅场效应管驱动电路，将结电容控制在较小的范围内，这是因为结电容越小，充放电所引起的损耗也就越小。本次研究的环鸣法声速仪发射电路中的场效应管驱动电路所采用的驱动为一块UCC37324驱动芯片，它属于一种高速驱动器，其内部有两个同向的放大器，这种驱动芯片性能良好，操作应用都非常简单便捷，不需要借助外围电路，并且能够很好的驱动功率绝缘栅场效应管。

（三）高压窄带脉冲产生电路

虽然超声波换能器可以采用连续波和尖脉冲波进行激励，但是这两种电路利弊共存，具体选择哪一种，下面我们具体的进行分析。连续波发射电路在工作中很容易形成驻波，造成干扰，从而影响测量的精确度。而尖脉冲波电路会影响换能器转化电声波的效率，并且随着声波传播距离的增大，脉冲波会出现畸形，从而造成测量数据不准确的情况。我们研究的环鸣声速仪的换能器所固有的频率为5MHz，所以换能器和反射挡板之间的距离不能太远，否则将会导致超声波在远距离传输中造成大量损失。已知换能器和反射挡板之间的距离为2.5cm，通过试验和计算发现这个距离不会导致超声波发射太大的畸变。同时再考虑电路处理的有关问题，发现采用连续波发射电路，为了提高换能器转换电波的效率必须要调谐电路，这样一来，使整个操作过程变得比较麻烦，而采用尖脉冲波电路则不需要对电路进行调谐，因此，采用尖脉冲发射电路是一个比较好的选择。

（四）匹配调谐电路

在设计超声波发射电路时，为了提高超声波设备运行的质量和效率，一定要做好电路和换能器的匹配设计问题，这是因为换能器匹配电路可以使电路在换能器固有的谐振频率中工作，从而提高换能器转化声波的效率。

三、接收电路

（一）输入保护/谐振电路

1输入保护在设计整个电路时，我们将发射电路的换能器和接收电路的换能器设计成一个，发射波和回波是在一条直线上运行，并且将高压窄带脉冲波加到接收电路上，然而要实现整个设计，并保证整个系统的正常运行，防止接收电路中的器件被高压窄带脉冲波损毁，必须要设计足够科学合理的输入保护电路来保护接收电路的安全。本文在设计输入保护电路时，采用了并联限幅电路，整个电路由二极管组成，发挥电路开关的作用。并且如图2所示，我们将高压窄带脉冲信号通过电容耦合到a点。而对于微变小信号，仍然是经电容耦合到a点，这时候二极管截止，微小信号就会直接输入到谐振电路当中。

2谐振电路谐振电路的主要作用就是将环鸣法声速仪换能器发射的不需要的杂波和谐波等清除掉，从而选择出需要的超声波。利用环鸣法声速仪，其换能器在发射固定频率的超声波的同时也会发射一些不需要的声波，而这些不需要的杂波会对正常的测量活动造成不利的影响。因此为了提高测量的精确度，需要谐振电路在所有的超声波中选择出需要的超声波。谐振电路具有重要的作用，在设计时也要格外注意，本文采用的谐振电路为GCL并联谐振电路，如图2所示。

（二）放大电路

顾名思义，放大电路的作用就是将发射电路发射的微弱反射回波信号进行放大，从而驱动各种分析和各种控制电路工作。通过对环鸣法声速仪的设计计算可知，反射回波信号的原始信号，大约为5mV，经过放大处理，可以将信号增益为10dB，从而保证整个电路的正常运行。

（三）检波/比较电路

检波/比较电路的主要作用就是将已经放大的回波信号处理成可以利用的控制信号，然后将其输送到发射电路的CPLD当中，从而实现控制声波的第二次发送，使整个系统持续的进行测量工作。凿设计检波/比较电路时，我们主要利用二极管和比较管，二极管的主要作用就是提取反射回波中的低频信号，这主要是因为二极管具有单向导电性的特征。在整个系统运行中，比较电路的发挥的主要作用就是将二极管提取的低频信号转化成可以利用的脉冲信号，然后将这些可以利用的脉冲信号输送到发射电路的CPLD当中，进而形成一个完整的循环系统。

结语

本文研究表明，环鸣法声速仪发射电路和接收电路利用IMP803芯片产生直流电压，以5V直流电压为低压电源供电，从而可以产生100V左右的直流高压；电路系统的开关为绝缘栅场效应管，可以获得非常好的窄带脉冲信号；而接收电路可以将接收到的反射回波信号进行放大处理，从而变成可以使用的控制信号。因此，本次试验设计的电路可以满足实际测量工作的要求，并且整个电路设计还比较简单、安全，值得推广应用。

作者：李享 单位：佛山市顺德区美的厨房电器制造有限公司